Die approbierte Originalversion dieser Diplom-/Masterarbeit ist an der Hauptbibliothek der Technischen Universität Wien aufgestellt (http://www.ub.tuwien.ac.at). The approved original version of this diploma or master thesis is available at the main library of the Vienna University of Technology (http://www.ub.tuwien.ac.at/englweb/). DIPLOMARBEIT Concentrated Solar Thermal Power for Electricity Generation: Cost and Potential Analysis for the Mediterranean Region ausgeführt zum Zwecke der Erlangung desakademischen Grades einesDiplom-Ingenieurs unter der Leitungvon Ao. Univ. Prof. Dr. ReinhardHaas und Dipl.-Ing. Dr. Gustav Resch am Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft (E373) eingereicht an der Technischen Universität Wien Fakultät für Elektrotechnik undInformationstechnik von Karl Anton Zach Matr. Nr.: 0125509 Waldsiedlung22 2320 Rauchenwarth Wien, im November 2008 II Acknowledgements First of all I want to thank Univ. Prof. Dr. ReinhardHaas, the referee of my thesis, and Dipl.-Ing. Dr. Gustav Resch, both of the Energy Economics Group at the Technical University in Vienna, for guiding andsupporting me in writingthis. But this work wouldnot have been possible without the support of my family andfriends, so I want to take this opportunity to say thank you, especially to: My parents, Helga and Karl, who offered me the opportunity to study at the Technical University of Vienna andfor their backup (andwho also always reminded me - at least weekly - to take the next examination andfinish the study) My grandmother Margareta, my brother Martin and my sister Helga for their encouragement and sponsorship My friendSabine Speckl for proofreading this paper (even though she hadplenty to do at this time anyway) My partner Viola Moritz, who assisted me with her patience andlove in the last five years of my study; she gave me not only precious inputs for this work but also proofread it Thank you! III Kurzfassung Um Klimaerwärmung und ihre Folgen sowie die Abhängigkeit von importierten fossilen Rohstoffen zu verringern, ist es unerlässlich, auch in der Elektrizitätswirtschaft fossile durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit einer erneuerbaren Technologie zur Stromerzeugung: (konzentrierenden) Solarthermischen Kraftwerken, die Sonnenenergie in Elektrizität (und Wärme) umwandeln. Um den Stand der Technologie, Kosten und Potenziale im Mittelmeerraum und im Nahen Osten zu ermitteln, wurde eine Literaturrecherche basierend auf verfügbaren Studien undInformationen zu realisierten/geplanten Projekten durchgeführt und die gefundenen Daten analysiert. Zurzeit sind weltweit etwa 400 MW an Kapazität von solarthermischen Kraftwerken unterschiedlicher Technologien vorhanden. Die Stromerzeugungskosten liegen derzeit zwischen 14 und24 Cents€/kWh für solaren Betriebundzwischen 8 und10 Cents€/kWh für hybriden Betrieb (mit etwa 20% solarem Anteil). Die Kostensenkungspotenziale bis 2020 durch Kapazitätsvergrößerung, Massenproduktion und technische Innovationen liegen bei etwa 50 - 60%. Potenziale für solarthermische Stromerzeugung sindvor allem in nordafrikanischen Ländern sehr groß (20.000 – 100.000 TWh/a), aber auch in den meisten anderen untersuchten Ländern ergeben sich Stromerzeugungspotenziale, die den Stromverbrauch des jeweiligen Landes im Jahr 2030 übersteigen. Insgesamt ergibt sich in den 24 Ländern ein Stromerzeugungspotenzial von über 600.000 TWh/a, was bei weitem den derzeitigen Weltelektrizitätsverbrauch von 17.000 TWh/a übersteigt. Derzeit sind solarthermische Kraftwerke nur mittels finanzieller Unterstützung wirtschaftlich betreibbar, durch Massenfertigung, Kapazitätsvergrößerungder Kraftwerke und weitere technische Forschungen könnten jedoch schon bis 2020 große Kostensenkungen möglich sein, die solarthermische Systeme auch für Mittellast attraktiv machen würden. Günstigere hybride Kraftwerke könnten die Markteinführung beschleunigen, haben jedoch nur einen geringen solaren Anteil und werden derzeit nur begrenzt durch Einspeisetarife unterstützt. Aufgrund der enormen Potentiale, der Möglichkeit mit thermischen Speichern bzw. hybriden Betrieb Strom auf Abruf zu produzieren und den großen Kostensenkungspotenzialen könnte die konzentrierende solarthermische Stromerzeugung einen großen Beitrag zur Erhöhung des Anteils erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung im Mittelmeerraum und anderen sonneneinstrahlungsreichen Gebieten leisten. IV Abstract Increasing the share of renewable energies in the electricity generation contributes to slow down climate change and decreases the dependency on fossil fuels. This master- thesis deals with one renewable technology for electricity generation: concentratingsolar thermal power (CSP) plants. The objectives of this thesis are to summarize the current state of the technology andto analyse the costs andpotentials of CSP in the European Union, Middle East andNorth Africa (EU-MENA). To reach these objectives, an in-depth desk research basedon available literature andinformation on realised/plannedprojects was conducted, accompaniedby an analysis of deriveddata. Today CSP plants with a total capacity of about 400 MW el are installed worldwide. Levelizedelectricity costs (LEC) range from 14 to 24 cents€/kWh for solar-only andfrom 8 to 10 cents€/kWh for hybridoperation (with 20% solar share) with capacity factors of 18 – 34%. Cost reduction potentials by plant upscaling, mass production and technological innovations are in the range of 50 - 60% until the year 2020. The highest CSP potentials are reached in North African countries (20,000 – 100,000 TWh/y), but also in most of the other analysed countries the CSP electricity generation potentials exceedthe demandin the year 2030. In total about 600,000 TWh/y may potentially be explored in the 24 analysedcountries, which is far more than the current worldelectricity demandof approximate 17,000 TWh/y. To run current CSP plants economically financial support is needed. But with high cost reducingpotentials until 2020, CSP systems can become attractive for mid-load. Hybrid plants can also contribute to lower the LEC, but only hybridsystems with low fossil fuel share are supportedwith current feed-in tariffs. With such high potentials, the ability to produce power on demand (thermal storage and/or hybrid operation) and great cost reducingpotentials, CSP couldbecome a main renewable energy technology in the future electricity mix in high insulation areas around the world. V Content Acknowledgements.............................................................................................. II Kurzfassung ...................................................................................................... III Abstract.............................................................................................................IV Content ..............................................................................................................V Figures ............................................................................................................ VII Tables ................................................................................................................X List of Abbreviations .......................................................................................... XII 1 Introduction ............................................................................................... 1 1.1 Objective andMethodology....................................................................... 2 1.2 Main Literature ....................................................................................... 3 1.3 Structure of this Thesis ............................................................................ 3 2 Concentrated Solar Thermal Power ............................................................. 5 2.1 Basics ................................................................................................... 5 2.2 CSP Technologies .................................................................................... 6 2.2.1 Parabolic Trough .............................................................................. 7 2.2.2 Linear Fresnel Systems...................................................................... 7 2.2.3 Central Receiver Systems .................................................................. 9 2.2.4 Parabolic Dish .................................................................................. 9 2.3 Thermal Storage ................................................................................... 10 2.4 Thermal Cycles ..................................................................................... 12 2.4.1 Rankine Cycle ................................................................................ 12 2.4.2 Brayton Cycle ................................................................................ 13 2.4.3 IntegratedSolar CombinedCycle ...................................................... 14 2.4.4 Solar HybridGas Turbine ................................................................. 15 2.4.5 StirlingEngine ............................................................................... 15 2.5 Performance Data ................................................................................. 15 2.6 LoadCurve of a CSP Plant ...................................................................... 17 3 Cost Assessment ....................................................................................... 19 3.1 Methodology........................................................................................